Кіріспе
Плазмалық кесу – қыздырылған плазманың үдетілген ағыны арқылы электр тогын өткізетін материалдарды кесу процесі. Плазмалық факелмен кесуге жиі қолданылатын материалдарға болат, тот баспайтын болат, алюминий, латунь және мыс жатады, бірақ басқа да токты өткізетін металдарды кесуге болады. Плазмалық кесу көбінесе өндіріс цехтарында, автомобильдерді жөндеу және қайта жаңарту, өнеркәсіптік құрылыс, металлдарды құтқару және қайта өңдеу операцияларында қолданылады. Жоғары жылдамдық пен дәлдік, сондай-ақ төмен құн плазмалық кесуді үлкен өнеркәсіптік компьютерлік сандық басқару (CNC) жүйелерінен бастап шағын хобби шеберханаларына дейін кеңінен қолдануға мүмкіндік береді. Плазмалық кесудің негізгі процесі кесілетін деталь арқылы плазмалық кесушінің өзінен электр өткізгіш арнаны, яғни электрлік иондалған газды – плазманы құруды қамтиды, осылайша плазмалық кесушіге жерге тұйықтау ілмегі арқылы толық электр тізбегін жасайды. Бұл қысылған газ (оттегі, ауа, инерт газдар және кесілетін материалға байланысты басқа газдар) арқылы жүзеге асырылады, ол жоғары жылдамдықпен шоғырланған сопло арқылы детальға үрленеді. Содан кейін газдың ішінде, соплоға жақын немесе кіріктірілген электрод пен деталь арасында электр доғасы пайда болады. Электр доғасы газдың бір бөлігін иондап, электр тогын өткізетін плазма арнасын жасайды. Кесуші факелден электр тогы осы плазма арқылы өтетін кезде, детальды балқыту үшін жеткілікті жылу энергиясын береді. Сонымен қатар, жоғары жылдамдықты плазма мен қысылған газдың көп бөлігі ыстық балқыған металлды сыртқа шығарып, детальды бөліп, яғни кесіп тастайды. Плазмалық кесу жұқа және қалың материалдарды кесудің тиімді тәсілі болып табылады. Қолда ұсталатын факелдер әдетте бірнеше миллиметрлік болат плиталарды кесе алады, ал күшті компьютерлік басқаруы бар факелдер болатты одан да қалың кесе алады. Плазмалық кескіштер өте ыстық және өте шоғырланған "конус" жасайтындықтан, олар металл табақтарын қисық немесе бұрышты пішінде кесуге өте қолайлы. Доғалар үш кезеңде пайда болады. Жоғары кернеулі ұшқын факел басындағы ауаны қысқа уақытқа иондайды. Бұл ауаны токты өткізгіш етеді және "ұшқыш доғаның" пайда болуына мүмкіндік береді. Ұшқыш доға факел басында пайда болады, электр тогы электродтан факел ішіндегі соплоға өтеді. Осы кезеңде ұшқыш доға тұтынылатын бөлікті – соплоны өртеуге бастайды. Содан кейін ауа плазманы соплодан детальге қарай үрлейді, электродтан детальға дейін токты өткізу жолын қамтамасыз етеді. Басқару жүйесі электродтан детальге ток ағып жатқанын сезгенде, соплоға электр байланысын үзеді. Одан кейін ток электродтан детальге өтеді және доға соплодан тыс пайда болады. Соқпақты өртеп жібермей, кесуді жалғастыруға болады. Соплоның қызмет ету мерзімі доғаның басталу санына, кесу уақытына емес, байланысты.
Plasma cutting is a process that cuts through electrically conductive materials by means of an accelerated jet of hot plasma. Typical materials cut with a plasma torch include steel, stainless steel, aluminum, brass and copper, although other conductive metals may be cut as well. Plasma cutting is often used in fabrication shops, automotive repair and restoration, industrial construction, and salvage and scrapping operations. Due to the high speed and precision cuts combined with low cost, plasma cutting sees widespread use from large scale industrial computer numerical control (CNC) applications down to small hobbyist shops. The basic plasma cutting process involves creating an electrical channel of superheated, electrically ionized gas i. e. plasma from the plasma cutter itself, through the workpiece to be cut, thus forming a completed electric circuit back to the plasma cutter through a grounding clamp. This is accomplished by a compressed gas (oxygen, air, inert and others depending on material being cut) which is blown through a focused nozzle at high speed toward the workpiece. An electrical arc is then formed within the gas, between an electrode near or integrated into the gas nozzle and the workpiece itself. The electrical arc ionizes some of the gas, thereby creating an electrically conductive channel of plasma. As electricity from the cutter torch travels down this plasma it delivers sufficient heat to melt through the workpiece. At the same time, much of the high velocity plasma and compressed gas blow the hot molten metal away, thereby separating, i. e. cutting through, the workpiece. Plasma cutting is an effective way of cutting thin and thick materials alike. Hand held torches can usually cut up to thick steel plate, and stronger computer controlled torches can cut steel up to thick. Since plasma cutters produce a very hot and very localized "cone" to cut with, they are extremely useful for cutting sheet metal in curved or angled shapes. The arcs are generated in a three step process. A high voltage spark briefly ionizes the air within the torch head. This makes the air conductive and allows the "pilot arc" to form. The pilot arc forms within the torch head, with current flowing from the electrode to the nozzle inside the torch head. The pilot arc begins to burn up the nozzle, a consumable part, while in this phase. The air then blows the plasma out the nozzle towards the work, providing a current path from the electrode to the work. When the control system senses current flowing from the electrode to the work, it cuts the electrical connection to the nozzle. Current then flows from the electrode to the work, and the arc forms outside the nozzle. Cutting can then proceed, without burning up the nozzle. Nozzle life is limited by the number of arc starts, not cutting time.
Тарих
Плазмамен кесу 1960 жылдары плазмамен дәнекерлеуден туындады және 1980 жылдары металл табақтар мен пластиналарды кесудің өте өнімді әдісі ретінде қалыптасты. Ол дәстүрлі "металлға металл" кесуге қарағанда металл түйіршіктерін шығармайды, нақты кесімдер жасайды және отын-қышқыл газбен кесуге қарағанда таза жиекті қамтамасыз етеді. Алғашқы плазма кескіштері ірі, біршама баяу және қымбат болғандықтан, көбінесе "жапсарып өндіріс" режимінде кесу үлгілерін қайталауға қолданылды. Басқа машина құралдары сияқты, 1980 жылдардың соңында және 1990 жылдарда плазма кескіш машиналарына CNC (компьютерлік сандық басқару) технологиясы енгізілді, бұл плазма кескіш машиналарына машинаның сандық басқаруына бағдарламаланған нұсқаулар жиынтығына сүйене отырып, "қажеттілік бойынша" әртүрлі пішіндерді кесуге көбірек мүмкіндік берді. Алайда, бұл CNC плазма кескіш машиналары көбінесе болаттың жалпақ табақтарындағы үлгілерді және бөлшектерді кесумен шектелген, тек екі қозғалыс осін (XY кесу деп аталады) пайдаланған.
Бастау әдістері
Плазмалық кескіштер доғаны іске қосу үшін бірнеше әдістерді пайдаланады. Кейбір құрылғыларда доға жұмыс дайындамасына жанасу арқылы жасалады. Кейбір кескіштер доғаны іске қосу үшін жоғары кернеулі, жоғары жиілікті тізбек қолданады. Бұл әдістің бірнеше кемшіліктері бар, оның ішінде электр тогының соғу қаупі, жөндеудің қиындығы, ұшқыш аралығын күтіп ұстау және радиожиілік сәулеленудің көп мөлшері. Сезімтал электроника жанында, мысалы CNC жабдықтары немесе компьютерлер жанында жұмыс істейтін плазмалық кескіштер пилоттық доғаны басқа тәсілдермен іске қосады. Сопло мен электрод жанасқан күйде болады. Сопло – катод, ал электрод – анод. Плазмалық газ ағуды бастағанда, сопло алға қарай итереді. Үшінші, сирек қолданылатын әдіс – кремнийлі диодты түзеткіш арқылы негізгі тізбекке сыйымдылықты зарядтан босату.
Инверторлы плазмалы кескіштер
Әдетте 2 киловаттан астам қуатты қажет ететін аналогты плазма кескіштер ауыр желілік жиілікті трансформаторды пайдаланады. Инверторлы плазма кескіштер желілік қуат көзін тұрақты токқа (DC) түрлендіреді, ол 10 кГц-тен шамамен 200 кГц-ға дейінгі жоғары жиілікті транзисторлы инверторға беріледі. Жоғары ауысу жиілігі трансформаторлардың кішіреюіне мүмкіндік береді, нәтижесінде жалпы көлем мен салмақ азаяды. Алғашқыда қолданылған транзисторлар MOSFET болды, бірақ қазір IGBT-лер жиірек қолданылады. Параллель қосылған MOSFET-терде транзисторлардың біреуі мерзімінен бұрын іске қосылса, инвертордың төрттен бір бөлігінің тізбектей бұзылуына әкелуі мүмкін. Кейінірек ойлап табылған IGBT-лер мұндай ақаулыққа бейім емес. IGBT-лер көбінесе MOSFET транзисторларын жеткілікті мөлшерде параллель қосу мүмкін болмайтын жоғары токты машиналарда қолданылады. Ауысу режимінің топологиясы – қос транзисторлы желіден тыс алға бағытталған түрлендіргіш деп аталады. Жеңіл және қуаттырақ болғанымен, кейбір инверторлы плазма кескіштер, әсіресе қуат коэффициентін түзетуі жоқтары, генератордан іске қосыла алмайды (өндіруші инвертор блогын пайдалануға тыйым салады; бұл шағын, жеңіл портативті генераторларға ғана қатысты). Дегенмен, жаңа модельдерде қуат коэффициентін түзетуі жоқ құрылғыларды жеңіл қуат генераторларымен жұмыс істеуге мүмкіндік беретін ішкі тізбелер бар.
CNC кесу әдістері
Кейбір плазмалық кескіш өндірушілер CNC кесу үстелдерін жасайды, ал кейбіреулері кескішті үстелге енгізіп орнатады. CNC үстелдері компьютерге оттық басын басқаруға мүмкіндік береді, нәтижесінде таза және анық кесімдер жасалады. Қазіргі заманғы CNC плазмалық жабдықтары қалың материалды көп осьті кесуге қабілетті, бұл басқа жағдайда мүмкін болмайтын күрделі дәнекерлеу тігістерін жасауға жағдай жасайды. Жіңішке материалдар үшін плазмалық кесу, негізінен лазерлік кескіштің тесіктерді кесудегі артықшылығына байланысты, лазерлік кесумен алмастырылуда. CNC плазмалық кескіштер жылу жүйелері, желдету және кондиционерлеу (HVAC) саласында кеңінен қолданылады. Бағдарламалық құрал жүйелер туралы ақпаратты өңдеп, плазмалық отпен кесу үстелінде кесуге арналған жазық үлгілерді құрайды. Бұл технология 1980-жылдардың басында енгізілгеннен бері саланың өнімділігін едәуір арттырды. CNC плазмалық кескіштер сонымен қатар көптеген шеберханаларда әсем металл бұйымдарын жасау үшін қолданылады. Мысалы, коммерциялық және тұрғын үй табельдері, қабырға безендірулері, мекенжай белгілері және сыртқы бақ өнері. Соңғы жылдары одан да көп жетістіктерге қол жеткізілді. Дәстүрлі түрде машиналардың кесу үстелдері көлденең болған, бірақ қазір тік CNC плазмалық кесу машиналары да қолжетімді, олар кішірек аумақты қалыптастыруға, икемділікті арттыруға, қауіпсіздікті қамтамасыз етуге және жұмыстың жылдамдығын арттыруға мүмкіндік береді.
CNC плазмалық кесу конфигурациялары
ПЛАСМА КЕСУДІҢ ҮШ НЕГІЗГІ ТҮРІ бар, және олар көбінесе өңдеуге дейінгі материалдың түрімен және кесу басының икемділігімен ажыратылады.
2 өлшемді / 2 осьті плазмалық кесу
Бұл плазмалық CNC кесудің ең көп таралған және қалыпты түрі. Осы әдіспен материалдың бетіне 90 градус бұрышпен кесілген жазық пішіндер жасалады. Жоғары қуатты CNC плазмалық кесу станоктары осылай жиналады және 150 мм-ге дейін қалыңдығы бар металл пластиналардан пішіндерді кесе алады.
3 өлшемді / 3+ осьті плазмалық кесу
Тағы да, металл табақтардан немесе пластиналардан жалпақ профильдер жасау процесі, бірақ қосымша айналу осьін қосу арқылы CNC плазмалық кесу машинасының кесу басы, дәстүрлі 2 өлшемді кесу жолынан өтетін кезде бұрылуы мүмкін. Бұл материалдың бетіне 90 градусқа тең емес бұрышпен кесілген жиектерге әкеледі, мысалы, 30-45 градус бұрыштар. Бұл бұрыш материалдың қалыңдығы бойымен үздіксіз сақталады. Бұл әдетте кесілген профильді дәнекерлеу құрастырудың бір бөлігі ретінде пайдалану қажет болғанда қолданылады, себебі бұрышты жиек дәнекерлеуге дайындықтың бір бөлігін құрайды. Дәнекерлеуге дайындық CNC плазмалық кесу процесінде жасалса, ұнтақтау немесе механикалық өңдеу сияқты қосымша операциялардан аулақ болуға болады, бұл шығындарды азайтады. 3 өлшемді плазмалық кесудің бұрышты кесу мүмкіндігі сонымен қатар профильді тесіктердегі бау тесіктерін және жиектің шеттерін жасау үшін де қолданылуы мүмкін.
Құбырлар мен секцияларды плазмамен кесу
Құбырларды, түтіктерді немесе кез келген ұзын бөліктерді өңдеуде қолданылады. Плазмалық кесу басы әдетте жұмыс дайындамасы одан өтетін және бойлық осі бойынша айналатын кезде бекітіліп тұрады. Кейбір конструкцияларда, 3 өлшемді плазмалық кесу сияқты, кесу басы еңкейтіліп, айналуы мүмкін. Бұл құбырдың немесе бөліктің қалыңдығы бойынша бұрышты кесулер жасауға мүмкіндік береді, бұл жиі процестік құбырларды жасауда қолданылады, онда кесілген құбыр тік жиектің орнына дәнекерлеуге дайындалған күйде беріледі.
Жаңа технологиялар
Соңғы он жылда плазмалық кескіш өндірушілер кішкентай саңылаулы және жіңішке плазмалық доғалы жаңа модельдерді жасады. Бұл плазмамен кесілген жиектерге лазерлік дәлдікке жақын мүмкіндік береді. Көптеген өндірушілер осы кескіштерді дәл CNC басқару жүйесімен біріктіріп, өндірушілерге аз немесе тіпті өңдеу қажет етпейтін бөлшектерді жасауға мүмкіндік берді.
Шығындар
Плазмалық факелдер бұрын өте қымбат болған. Осы себепті олар көбінесе кәсіби дәнекерлеу шеберханаларында және жақсы жабдықталған жеке гараждар мен дүкендерде ғана кездесетін. Бірақ, қазіргі плазмалық факелдердің бағасы төмендеп келеді, енді олар көптеген хоббишілерге қолжетімді, құны 300 доллардан кем. Ескі үлгілер өте ауыр болуы мүмкін, бірақ оларды тасымалдауға болады, ал инверторлық технологиясы бар жаңа үлгілердің салмағы аздап ғана, бірақ олардың қуаты ескі үлгілермен тең немесе одан да жоғары.